📚一、嵌入式硬件设计概述
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📘（一）定义与特点
低功耗：由于常需长时间运行且可能由电池供电，嵌入式系统普遍采用低功耗设计。这在消费电子领域尤为重要，如智能手机、平板电脑等设备，需要在保证性能的同时尽可能降低功耗，以延长电池续航时间。参考资料中提到，“嵌入式系统低功耗设计是应当前电子产品的发展趋势而产生的需求”，通过选用超低功耗的外围器件和接口、低功耗功能支持的主控 SOC 以及功耗和负载符合需求的电源管理 IC 等措施，可以实现系统的低功耗设计。
小型化：受应用场景限制，嵌入式系统体积小巧，便于安装与集成。在医疗设备中，嵌入式系统需要集成到小型的医疗仪器中，如心脏起搏器、血糖仪等，这就要求系统具有高度的小型化设计。
实时性：在工业自动化、医疗设备等领域，嵌入式系统需具备快速响应和实时处理能力。例如，在工业自动化生产线中，嵌入式系统需要实时监测生产过程中的各种参数，并及时作出调整，以确保生产线的高效稳定运行。
高可靠性：嵌入式系统一旦部署，往往难以进行维护，因此必须具备高可靠性，以保证长期稳定运行。在航空航天领域，嵌入式系统的可靠性至关重要，任何故障都可能导致严重的后果。
📘（二）应用领域
消费电子：为消费电子产品提供丰富功能和便捷体验。从智能手机、平板电脑到智能家居设备，嵌入式系统无处不在。它可以实现高清视频播放、游戏娱乐、智能语音助手等功能，满足用户对消费电子产品的多样化需求。
汽车领域：在汽车电子控制系统中发挥核心作用。从发动机控制、制动系统到车载娱乐系统，嵌入式系统实现了对汽车各个部件的精确控制和智能化管理。例如，现代汽车中的电子稳定控制系统（ESP）就是通过嵌入式系统实时监测车辆的行驶状态，并在必要时进行干预，以提高行驶安全性。
医疗设备：为诊断和治疗提供精准技术支持。医疗影像设备、心脏起搏器、体征监测设备等都离不开嵌入式系统。它可以实现对患者生理参数的实时监测、图像的清晰显示以及精确的治疗控制，为医疗行业提供了强大的技术支持。参考资料中提到，“嵌入式系统在医疗仪器中的应用越来越广泛，随着技术的发展，设备从单一器官发展到全身诊断，从模拟到全数字化，从单参数到多参数，从二维成像到三维立体成像等，成像质量不断提高，诊断范围和信息量不断扩充”。
📚二、嵌入式硬件设计原则
📘1. 需求分析明确
例如，在工业控制领域，嵌入式系统可能需要在恶劣的环境下长时间稳定运行，因此需要选择具有高可靠性和抗干扰能力的元器件。在消费电子领域，产品的体积和功耗可能是重要的考虑因素，需要选择小型化、低功耗的元器件。
📘2. 模块化设计
例如，在一个智能家居系统中，可以将系统分为传感器模块、控制模块、通信模块等。每个模块都可以独立开发和测试，当需要添加新的功能时，只需要添加相应的模块即可。
📘3. 低功耗设计
参考资料中提到了低功耗嵌入式系统设计的 10 个技巧，包括保持整个电路板的工作电压低、选择低功耗芯片、优化无线模块的功耗、采用电源门控技术、选择合适的电源等。这些技巧可以帮助设计工程师实现低功耗设计。
例如，在可穿戴设备中，需要选择低功耗的微控制器和传感器，同时采用电源管理技术，在设备不使用时进入低功耗模式，以延长电池续航时间。
📘4. 可靠性设计
例如，在汽车电子领域，嵌入式系统需要在恶劣的环境下工作，因此需要选择具有高可靠性的元器件，并进行严格的电路保护设计，以确保系统的稳定性和安全性。
📘5. 可测试性设计
参考资料中提到了嵌入式系统的可测试性与测试方法，包括模块化设计、接口设计、诊断功能设计、可维护性设计等原则。这些原则可以帮助设计工程师提高系统的可测试性。
例如，在一个嵌入式系统开发项目中，可以预留 JTAG 接口和 UART 接口，以便在开发过程中进行程序烧录和调试。同时，可以在电路板上设置测试点，以便在生产过程中进行功能测试和质量检测。
📚三、嵌入式硬件关键技术
📘1. SoC 技术集成化和模块化设计，降低成本提高性能
📘2. 低功耗设计技术动态电压调整、动态电源管理等方法
📘3. 高速接口技术满足大数据量传输和高速通信需求
📘4. 嵌入式操作系统管理系统资源，提供任务调度和通信服务
📚四、嵌入式硬件设计流程
📘1. 需求分析整理电路功能模块和性能指标要求
📘2. CPU 选型性价比高、容易开发、可扩展性好
性价比高：在功能、性能满足需求的前提下，选择价格较为合理的 CPU，以降低成本。例如，可以对比不同品牌和型号的 CPU，选择性能相近但价格更具优势的产品。
容易开发：体现在硬件调试工具种类多，参考设计多，软件资源丰富，成功案例多。这样可以大大缩短开发周期，提高开发效率。例如，选择一款具有丰富开发工具和文档支持的 CPU，开发人员可以更轻松地进行硬件调试和软件开发。
可扩展性好：考虑到未来可能的功能扩展和升级，选择具有良好可扩展性的 CPU。例如，选择具有多个扩展接口和丰富外设资源的 CPU，以便在未来需要时能够方便地添加新的功能模块。
📘3. 参考设计选择选择成功的参考设计进行验证
📘4. 元器件选型遵循普遍性、高性价比、采购方便等原则
普遍性原则：所选的元器件要是被广泛使用验证过的，尽量少使用冷门、偏门芯片，减少开发风险。例如，在选择传感器时，优先选择市场上常见的、经过大量应用验证的产品，这样可以降低因元器件质量问题导致的开发风险。
高性价比原则：在功能、性能、使用率都相近的情况下，尽量选择价格比较好的元器件，降低成本。通过对比不同品牌和供应商的产品价格和性能，选择性价比最高的元器件。
采购方便原则：尽量选择容易买到、供货周期短的元器件。这可以确保在项目开发过程中不会因为元器件采购困难而延误进度。例如，选择一些在本地电子市场或网上商城容易购买到的元器件。
持续发展原则：尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件。以保证产品的长期生产和维护。
可替代原则：尽量选择 pin to pin 兼容芯片品牌比较多的元器件。这样在某个元器件出现供应问题时，可以快速找到替代产品。
向上兼容原则：尽量选择以前老产品用过的元器件。这样可以利用已有的开发经验，减少开发难度。
资源节约原则：尽量用上元器件的全部功能和管脚。以提高元器件的利用率，降低成本。
📘5. 原理图修改参考多个成功设计，确定正确连接方式
对于每个功能模块要尽量找到更多的成功参考设计，越难的应该越多。成功的参考设计是 “前人” 的经验和财富，我们理当借鉴吸收，站在 “前人” 的肩膀上，也就提高了自己的起点。
要多向权威请教、学习，但不能迷信权威，因为人人都有认知误差，很难保证对哪怕是自己最了解的事物总能做出最科学的理解和判断，开发人员一定要在广泛调查、学习和讨论的基础上做出最科学正确的决定。
如果是参考已有的老产品设计，设计中要留意老产品有哪些遗留问题，这些遗留问题与硬件哪些功能模块相关，在设计这些相关模块时要更加注意推敲，不能机械照抄原来设计，比如我们老产品中的 IDE 经常出问题，经过仔细斟酌，广泛讨论和参考其他成功设计，发现我们的 IDE 接口有两个管脚连线方式确实不规范。还有，针对 FGPI 通道丢失视频同步信号的问题，可以在硬件设计中引出硬件同步信号管脚，以便进一步验证，更好发现问题的本质。
📘6. 遵循设计原则数字电源和模拟电源分割等原则
数字电源和模拟电源分割：将数字电路和模拟电路的电源分开，以减少数字电路对模拟电路的干扰。
数字地和模拟地分割，单点接地，数字地可以直接接机壳地（大地），机壳必须接地，以保护用户人身安全。
保证系统各模块资源不能冲突，例如：同一 I2C 总线上的设备地址不能相同等。
阅读系统中所有芯片的手册（一般是设计参考手册），看它们未用的输入管脚是否需要做外部处理，是要上拉、下拉，还是悬空，如果需要上拉或下拉，则一定要做相应处理，否则可能引起芯片内部振荡，导致芯片不能正常工作。
在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发方便，或者以较小的硬件设计难度来换取更多方便、可靠、高效的软件设计，这点需要硬件设计人员懂得底层软件开发调试，要求较高。
功耗问题，设计时尽量降低功耗。例如，选择低功耗的元器件，优化电路设计，降低工作电压等。
产品散热问题，可以在功耗和发热较大的芯片增加散热片或风扇，产品机箱也要考虑这个问题，不能把机箱做成保温盒，电路板对 “温室” 是感冒的。还要考虑产品的安放位置，最好是放在空间比较大，空气流动畅通的位置，有利于热量散发出去。
📘7. 审核与自审严格审查原理图，确保正确性和可靠性
设计人员自身应该保证原理图的正确性和可靠性，要做到设计即是审核，严格自审，不要把希望寄托在审核人员身上，设计出现的任何问题应由设计人员自己承担，其他审核人员不负连带责任。
📚五、嵌入式硬件设计未来发展趋势
📘1. 更高的计算效率和更低的功耗优化算法、采用先进处理器架构和低功耗设计技术。
📘2. 边缘计算的普及减少数据传输延迟和网络拥塞，支持本地计算。
📘3. 与物联网的深度融合注重实时数据采集、传输和处理，成为物联网重要部分。
📘4. 软硬件协同设计发挥协同优势，提高系统性能和功耗效率。
📘5. 安全性和可靠性的提升随着应用广泛，安全性和可靠性愈发重要。
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